地铁交叉隧道换乘站处沉降控制研究

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1、地铁交叉隧道换乘站处沉降控制研究刘金鹏，纪颖波(中铁十六局集团第六工程有限公司，北京100031；天津大学建工学院，天津300072)摘要：本文以天津地铁交叉隧道为例，研究了下层隧道对上层隧道的影响，用三雏有限元模型和文克尔地基模型计算了将土体作为弹簧时的刚度系数，用梁单元模拟双层隧道，计算在下层隧道作用下上层隧道的变形和内力及在不同位置设置沉降缝时，隧道的沉降差和内力关系，为工程实践提供理论依据。关键词：弹性地基梁；交叉隧道；沉降缝；有限元1工程概述天津地铁1号线(南北线，刘园至双林)和6号线(门道口至宜兴府)将在其交叉处形成换乘站。换乘站共分为两层，分别连接互

2、相垂直的两条隧道，如图1所示。≮涨营亘匐图1互相垂直的两条交叉隧道(a)宅间交叉示意图；(b)沉降缝设置对于上层隧道而言，下层隧道的存在，在上层隧道下面构成了不均匀地基，将可能导致上层隧道产生不均匀沉降，并发生整体弯曲。因此，需预测上层隧道由于下层隧道而引起的不均匀沉降和附加弯矩，以确定下层隧道对上层隧道的影响程度，并提出有针对性的措施。根据地铁设计单位的图纸，设计单位采用了在上层车站设置沉降缝的方案，沉降缝设置在双层车站与单层车站过度处，见图1(b)，以沉降缝来解决下层车站存在的影响。这种做法可能带来的问题是，在双层车站和单层车站之间将产生沉降差。因此，需要分析

3、可能产生沉降差的大小。由于交叉隧道在两个方向上长度很大，因此，采用三维有限元分析会受到计算机容最的限制。因此，本文提出采用弹性地基梁的方法来分析交叉隧道的影响。2弹性地基梁基床系数法的基本原理弹性基础承受荷载后，基础本身发生挠曲，因而基础地面各点的沉降不相同。当上部荷载通过基础传给地基，基础地面就受到地基反力的作用。地基反力的总和同上部荷载大小相等，方向相反，两者的合力互相重合在一条直线上。据此，1801年，富斯首先提出每单位K度的基础梁下的地基反力与地基变形成正比。1867年，捷克人文克尔将其发展为单位面积上所受的压力P与地基的变形y成正比，即P=如，其中k称为

4、基床系数，这样就使其适用范围扩大到可用于任何形状的基础梁板。基床系数法的假定可归纳为如下两点：(1)梁的每一点的挠度与地基的变形相等，且两者之间没有缝隙存在，即梁的挠度曲线与地基变形相一致，在出现负的地基反力时，也不发生分离。这一点在实用上是可行的，因为结构质量对地基施加了一个初始的预应压力。(2)假定地基的变形只与该点受力大小成正比例，地基相邻点之间不存在相互作用，而是起着一系列独立弹簧似的作用。因此，地基的变形只发生在基础范围内，而基础外的地基变形则等于零，这样，就不能考虑边载对基础地基反力的影响。本文对隧道结构采用梁元，土体采用文克尔弹性地基模型，来分析交叉

5、隧道的相互影响。这样，首先需要解决的问题便是确定模拟弹簧的刚度系数k值。根据文克尔假定，弹性地基梁的地基反力与沉降成正比，即P=如式中p——地基反力强度，N／而2；^——弹簧刚度系数，N／甜；Ⅳ——梁的沉降，171。由上式可以反推出弹簧刚度k=P向。3计算模型3．1计算模型为模拟双层隧道交叉的相互影响，将上、下层隧道以弹性地基梁来模拟，在交叉范围内以刚度无穷大的刚性链杆连接，如图2所示。其中图2(a)为不设缝方案，图2(b)为设缝方案。本文采用有限元计算的方法来求弹簧刚度k值。有限元模型的计算域长80m、宽80．2m、深60．2m，用以求出下层隧道下部的土体弹簧系

6、数和上层隧道单层箱体部分下部土体的弹簧系数。施加如图3所示通长荷载，这个荷载用来模拟上层隧道施工完毕后隧道自重和覆土层质量，用来计算单层区间隧道下部土体的弹簧刚度系数k。此时，自=8．0×10SN／m33．2计算参数土：弹性模量E=6MPa泊松比口=O．33重度y=20kN／ms84图2双层隧道弹性地基粱分析模型(a)不设沉降缝方案；(b)设置沉降缝方案土体的弹簧刚度系数女-8．O×10SN／m3箱体截面：弹性模量E=2．8×104MPa截面面积A=10．33m2重度y=25kN／m3惯性矩J=97．929m44计算结果及分析4．1不设沉降缝方案图3均布荷载在通长

7、隧道的作用对计算模型图2(。)，在上层隧道施加隧道自重及地表覆土产生的沿隧道长度的均布荷载q=63．3kPa，得到上层隧道的变形图和弯矩图，见图4、图5。上层隧道不设沉降缝的位穆圈图4隧道作用于不均匀地基上位移图上层隧道不设沉降缝的弯矩图位置(m图5隧道作用于不均匀地基上弯矩图由图4可见，由于下层车站的存在，使上层车站产生不均匀沉降，沉降差可达1．9cm。由图5可见，由于上层隧道挠曲产生的最大弯矩可达12234kN·m。可推算出，上层隧道的最大拉应力为325kPa。本方案中，交叉隧道部分的弯矩值发生突变，是因为将本来为整体的车站分为上下两部分，并用钢杆连接的原故，

8、现在弯矩图